Вихрь I - Whirlwind I
 Элементы компьютера Whirlwind: оперативная память (слева) и пульт оператора
| |
| Семейство продуктов | "Программа" Вихрь "/" Проект "Вихрь" |
|---|---|
| Дата выхода | 20 апреля 1951 г. |
Вихрь я была холодная война -era компьютер вакуумная трубка , разработанная MIT Лаборатории сервомеханизмов для ВМС США . Работавший в 1951 году, он был одним из первых цифровых электронных компьютеров, которые работали в режиме реального времени для вывода, и первым, который не был просто электронной заменой старых механических систем.
Это был один из первых компьютеров, который выполнял параллельные вычисления (а не последовательно ), и первым использовал память на магнитных сердечниках .
Его разработка напрямую привела к конструкции Whirlwind II, которая использовалась в качестве основы для системы противовоздушной обороны ВВС США SAGE , и косвенно почти для всех бизнес-компьютеров и мини-компьютеров в 1960-х годах, особенно из-за «короткой длины слова, скорости, людей».
Фон
Во время Второй мировой войны , то ВМС США «s Naval Research Lab подошли MIT о возможности создания компьютера водить симулятор полета для подготовки бомбардировщиков экипажей. Они представили довольно простую систему, в которой компьютер будет постоянно обновлять моделируемую приборную панель на основе управляющих сигналов от пилотов. В отличие от более старых систем, таких как Link Trainer , система, которую они предполагали, будет иметь значительно более реалистичную аэродинамическую модель, которую можно было бы адаптировать к любому типу самолета. Это было важным соображением в то время, когда на вооружение вводилось много новых конструкций.
Лаборатория сервомеханизмов в здании 32 Массачусетского технологического института провела небольшое исследование, которое пришло к выводу, что такая система возможна. Управление военно- морских исследований ВМФ решило профинансировать разработку в рамках проекта Whirlwind (и его родственных проектов, Project Typhoon и Project Cyclone с другими учреждениями), и лаборатория назначила Джея Форрестера ответственным за проект. Вскоре они построили для этой задачи большой аналоговый компьютер , но обнаружили, что он неточный и негибкий. Решение этих проблем в общем случае потребует гораздо большей системы, возможно, такой большой, что ее невозможно будет построить. Джуди Клэпп была одним из первых старших технических членов этой команды.
Перри Кроуфорд , другой член команды Массачусетского технологического института, видел демонстрацию ENIAC в 1945 году. Затем он предположил, что цифровой компьютер будет лучшим решением. Такая машина позволила бы повысить точность моделирования за счет добавления большего количества кода в компьютерную программу , в отличие от добавления частей к машине. Пока машина была достаточно быстрой, не было теоретических пределов сложности моделирования.
До этого момента все построенные компьютеры были предназначены для выполнения отдельных задач и работали в пакетном режиме . Заранее был настроен ряд входных данных, которые вводились в компьютер, который обрабатывал ответы и распечатывал их. Это не подходило для системы Whirlwind, которая должна была постоянно работать с постоянно меняющейся серией входов. Скорость стала серьезной проблемой: в то время как в других системах это просто означало более длительное ожидание распечатки, в Whirlwind это означало серьезное ограничение степени сложности, которую могло включать моделирование.
Техническое описание
Дизайн и конструкция
К 1947 году Форрестер и его сотрудник Роберт Эверетт завершили разработку высокоскоростного компьютера с хранимой программой для этой задачи. Большинство компьютеров той эпохи работали в последовательном режиме , используя однобитовую арифметику и вводя большие слова, часто размером 48 или 60 бит, по одному разряду за раз. Это было просто недостаточно быстро для их целей, поэтому Whirlwind включил шестнадцать таких математических модулей, оперирующих полным 16-битным словом каждый цикл в бит-параллельном режиме. Игнорируя скорость памяти, Whirlwind («20 000 одноадресных операций в секунду» в 1951 году) был по существу в шестнадцать раз быстрее, чем другие машины. Сегодня почти все процессоры выполняют арифметические операции в «параллельном» режиме.
Размер слова был выбран после некоторых размышлений. Машина работала, передавая один адрес почти с каждой инструкцией, тем самым уменьшая количество обращений к памяти. Для операций с двумя операндами, например, сложения, «другой» операнд считался загруженным последним. В этом отношении Whirlwind действовал как калькулятор с обратной польской нотацией ; за исключением того, что не было стека операндов, только аккумулятор . Разработчики считали, что 2048 слов памяти будут минимальным используемым объемом, требующим 11 бит для представления адреса, и что от 16 до 32 инструкций будут минимумом для других пяти битов - так что это было 16 бит.
Конструкция Whirlwind включала в себя накопитель управления, управляемый главными часами. Каждый шаг часов выбирает одну или несколько сигнальных линий в диодной матрице, которая активирует вентили и другие схемы на машине. Специальный переключатель направляет сигналы в разные части матрицы для выполнения разных инструкций. В начале 1950-х Whirlwind I «падал в среднем каждые 20 минут».
Строительство «Вихря» началось в 1948 году, в нем было задействовано 175 человек. в том числе 70 инженеров и техников. В третьем квартале 1949 года компьютер был достаточно развит, чтобы решить уравнение и отобразить его решение на осциллографе, и даже для первой анимированной и интерактивной компьютерной графической игры. Наконец, 20 апреля 1951 года Whirlwind «успешно выполнил цифровой расчет курсов перехвата». Бюджет проекта составлял примерно 1 миллион долларов в год, что значительно превышало затраты на разработку большинства других компьютеров того времени. Спустя три года флот потерял интерес. Однако в это время ВВС заинтересовались использованием компьютеров для решения задачи наземного перехвата , и «Вихрь» был единственной машиной, подходящей для этой задачи. Они занялись разработкой в рамках Project Claude .
Вихрь весил 20 000 фунтов (10 коротких тонн; 9,1 т).
Подсистема памяти
Первоначальная конструкция машины требовала 2048 (2К) слов по 16 бит каждое для хранения с произвольным доступом. Единственными двумя доступными технологиями памяти в 1949 году, которые могли хранить такое количество данных, были ртутные линии задержки и электростатическое накопление .
Линия задержки ртути состояла из длинной трубки, заполненной ртутью , механического преобразователя на одном конце и микрофона на другом конце, очень похожего на пружинный ревербератор, который позже использовался при обработке звука. Импульсы подавались на ртутную линию задержки на одном конце, и им требовалось определенное время, чтобы достичь другого конца. Они были обнаружены микрофоном, усилены, преобразованы в правильную форму импульса и отправлены обратно в линию задержки. Таким образом, было сказано, что память рециркулирует.
Линии задержки Меркурия работали примерно со скоростью звука, поэтому были очень медленными с компьютерной точки зрения, даже по стандартам компьютеров конца 1940-х и 1950-х годов. Скорость звука в ртути также сильно зависела от температуры. Поскольку линия задержки содержала определенное количество битов, частота тактовых импульсов должна была изменяться в зависимости от температуры ртути. Если бы линий задержки было много, и все они не всегда имели одинаковую температуру, данные памяти могли бы легко испортиться.
Разработчики Whirlwind быстро отбросили линию задержки как возможную память - она была слишком медленной для предполагаемого имитатора полета и слишком ненадежной для воспроизводимой производственной системы, для которой Whirlwind должен был стать функциональным прототипом.
Альтернативная форма памяти была известна как «электростатическая». Это была электронно-лучевая трубка памяти, во многом похожая на ранние телевизионные кинескопы или осциллографы . Электронная пушка послала пучок электронов на дальний конец трубки, где они повлияли на экране. Луч будет отклоняться, чтобы приземлиться в определенном месте на экране. Затем луч мог создать отрицательный заряд в этой точке или изменить заряд, который уже был там. Измеряя ток луча, можно было определить, было ли пятно изначально нулем или единицей, и луч мог сохранить новое значение.
В 1949 году существовало несколько форм ламп с электростатической памятью . Самая известная сегодня - это лампа Вильямса , разработанная в Англии, но был и ряд других, которые были разработаны независимо различными исследовательскими лабораториями. Инженеры Whirlwind рассмотрели трубку Вильямса, но определили, что динамический характер хранилища и необходимость частых циклов обновления несовместимы с целями проекта Whirlwind I. Вместо этого они остановились на конструкции, которая разрабатывалась в Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института. . Это была электронная лампа с двумя пушками. Одно ружье давало остро сфокусированный луч для чтения или записи отдельных битов. Другая пушка была «пушкой наводнения», которая распыляла на весь экран низкоэнергетические электроны. В результате конструкции эта трубка была скорее статической ОЗУ , не требовавшей циклов обновления, в отличие от динамической ОЗУ Вильямса.
В итоге выбор этой трубки оказался неудачным. Трубка Вильямса была значительно лучше разработана и, несмотря на необходимость обновления, могла легко удерживать 1024 бит на трубку и была довольно надежной при правильной эксплуатации. Трубка MIT все еще находилась в разработке, и хотя целью было удерживать 1024 бит на трубку, эта цель не была достигнута даже через несколько лет после того, как план предусматривал создание полноразмерных функциональных трубок. Кроме того, спецификации требовали времени доступа в шесть микросекунд, но фактическое время доступа составляло около 30 микросекунд. Поскольку базовое время цикла процессора Whirlwind I определялось временем доступа к памяти, весь процессор работал медленнее, чем предполагалось.
Память с магнитным сердечником
Джей Форрестер отчаянно пытался найти подходящую замену памяти для своего компьютера. Первоначально в компьютере было всего 32 слова памяти, и 27 из этих слов были регистрами только для чтения, состоящими из тумблеров . Остальные пять регистров представляли собой триггерные запоминающие устройства, причем каждый из пяти регистров состоял из более чем 30 электронных ламп . Это «тестовое хранилище», как оно было известно, предназначалось для проверки элементов обработки, когда основная память не была готова. Основная память была настолько запоздалой, что первые эксперименты по слежению за самолетами с использованием данных радара в реальном времени проводились с использованием программы, вручную установленной в тестовое хранилище. Форрестер наткнулся на рекламу нового магнитного материала, производимого одной компанией. Понимая, что это потенциально может быть носитель данных, Форрестер получил верстак в углу лаборатории и получил несколько образцов материала для экспериментов. Затем в течение нескольких месяцев он проводил в лаборатории столько же времени, сколько и в офисе, управляя всем проектом.
В конце этих месяцев он изобрел основы памяти на магнитных сердечниках и продемонстрировал, что это возможно. Его демонстрация состояла из небольшой базовой плоскости из 32 сердечников, каждое из которых составляло три восьмых дюйма в диаметре. Продемонстрировав, что концепция практична, ее нужно было только свести к работоспособному проекту. Осенью 1949 года компания Forrester привлекла аспиранта Уильяма Н. Папяна к испытаниям десятков отдельных ядер, чтобы определить те, которые обладают лучшими характеристиками. Работа Папяна была поддержана, когда Форрестер попросил студента Дадли Аллена Бака поработать над материалом и назначил его за верстак, в то время как Форрестер вернулся к управлению проектами на полную ставку. (Бак продолжал изобретать криотрон и память с адресацией по содержанию в лаборатории.)
После примерно двух лет дальнейших исследований и разработок они смогли продемонстрировать базовую плоскость, состоящую из 32 на 32, или 1024 ядер, содержащих 1024 бита данных. Таким образом, они достигли первоначально запланированного размера хранения электростатической трубки, цели, которая еще не была достигнута самими трубками, и в последнем поколении дизайна они могли хранить только 512 бит на трубку. Очень быстро была изготовлена основная память на 1024 слова, заменившая электростатическую память. Конструирование и производство электростатической памяти было отменено, в результате чего была сэкономлена значительная часть денег, которую можно было направить в другие области исследований. Позже были изготовлены два дополнительных модуля основной памяти, что увеличило общий объем доступной памяти.
Вакуумные трубки
В конструкции использовалось около 5000 электронных ламп .
Большое количество трубок, используемых в Whirlwind, привело к проблематичной частоте отказов, поскольку отказ одной трубы мог вызвать отказ системы. Стандартным пентодом в то время был 6AG7, но испытания в 1948 году показали, что его ожидаемый срок службы был слишком коротким для этого приложения. Следовательно, вместо него был выбран 7AD7, но у него также было слишком много отказов в эксплуатации. Расследование причин неудач установлено , что кремний в вольфрамового сплава от нити накала вызывало отравление катода ; отложения ортосиликата бария, образующиеся на катоде, уменьшают или препятствуют его функции испускания электронов . 7AK7 трубки с вольфрамовой нитью высокой чистоты затем специально разработана для Вихря Sylvania .
Катодное отравление является наиболее тяжелым, когда трубка работает в отключенном состоянии при включенном нагревателе. Коммерческие лампы предназначались для радиоприложений (а позже и для телевидения), где они редко используются в таком состоянии. Аналоговые приложения, подобные этим, удерживают трубку в линейной области, тогда как цифровые приложения переключают трубку между отсечкой и полной проводимостью, лишь ненадолго проходя через линейную область. Кроме того, коммерческие производители ожидали, что их лампы будут использоваться только несколько часов в день. Чтобы решить эту проблему, нагреватели были отключены на клапанах, которые не должны были переключаться на длительное время. Напряжение нагревателя включалось и выключалось с медленным нарастанием формы волны, чтобы избежать теплового удара по нитям нагревателя.
Даже этих мер было недостаточно для достижения требуемой надежности. Возникшие неисправности заранее выявлялись путем тестирования клапанов во время периодов технического обслуживания. Они подвергались стресс-тестам, называемым предельными испытаниями, потому что они подавали напряжения и сигналы на клапаны вплоть до их расчетных пределов. Эти испытания были разработаны, чтобы выявить ранний отказ клапанов, которые в противном случае вышли бы из строя во время эксплуатации. Они были выполнены автоматически тестовой программой. Статистика технического обслуживания за 1950 год показывает успех этих мер. Из 1 622 используемых пробирок 7AD7 243 вышли из строя, из которых 168 были обнаружены при предельных испытаниях. Из 1412 используемых трубок 7AK7 18 вышли из строя, из которых только 2 вышли из строя во время предельной проверки. В результате Whirlwind оказался намного надежнее любой коммерчески доступной машины.
Многие другие особенности режима испытаний вихревой трубки не были стандартными испытаниями и требовали специального оборудования. Одним из условий, требующих специального тестирования, было кратковременное короткое замыкание на нескольких трубках, вызванное небольшими предметами, такими как ворс внутри трубки. Случайные ложные короткие импульсы являются незначительной проблемой или даже совершенно незаметны для аналоговых схем, но могут иметь катастрофические последствия для цифровой схемы. Они не обнаруживались при стандартных тестах, но их можно было обнаружить вручную, постучав по стеклянной оболочке. Для автоматизации этого теста была построена схема, запускаемая тиратроном.
Сети ПВО
После подключения к экспериментальному радару раннего предупреждения с помощью микроволн (MEW) на Hanscom Field с использованием оборудования Джека Харрингтона и коммерческих телефонных линий, самолет был отслежен Whirlwind I. Система Cape Cod впоследствии продемонстрировала компьютеризированную противовоздушную оборону, охватывающую южную часть Новой Англии . Сигналы от трех радаров дальнего действия (AN / FPS-3), одиннадцати радаров для заполнения промежутков и трех радаров для определения высоты передавались по телефонным линиям на компьютер Whirlwind I в Кембридже, штат Массачусетс . Проект Whirlwind II для более крупной и быстрой машины (так и не завершенной) лег в основу системы ПВО SAGE IBM AN / FSQ-7 Combat Direction Central .
Наследие
В Whirlwind использовалось около 5000 электронных ламп. Также были предприняты усилия по преобразованию конструкции Whirlwind в транзисторную форму, возглавляемую Кеном Олсеном и известную как TX-0 . TX-0 был очень успешным, и планировалось сделать еще более крупную версию, известную как TX-1. Однако этот проект был слишком амбициозным, и его пришлось сократить до уменьшенной версии, известной как TX-2 . Даже эта версия оказалась проблемной, и Олсен ушел в середине проекта, чтобы основать Digital Equipment Corporation (DEC). PDP-1 от DEC представляла собой набор концепций TX-0 и TX-2 в меньшем корпусе.
После поддержки SAGE, Whirlwind I арендовал (1 доллар в год) с 30 июня 1959 года по 1974 год участником проекта Биллом Вульфом.
Кен Олсен и Роберт Эверетт спасли машину, которая стала основой Бостонского компьютерного музея в 1979 году. Сейчас она находится в коллекции Музея компьютерной истории в Маунтин-Вью, Калифорния .
По состоянию на февраль 2009 года основной блок памяти выставлен в Музее промышленности и инноваций Чарльз-Ривер в Уолтеме, штат Массачусетс . Один самолет, предоставленный на время Музеем компьютерной истории , показан в рамках экспозиции по исторической информатике в здании Gates Computer Science Building в Стэнфорде .
В здании, в котором размещался Whirlwind, до недавнего времени располагался ИТ-отдел, информационные услуги и технологии Массачусетского технологического института, а в 1997–1998 годах ему был восстановлен его первоначальный внешний вид.
Смотрите также
- Список компьютеров с вакуумной трубкой
- История вычислительной техники
- Система Ланинга и Цирлера
- Роджер Сиссон
- Перри О. Кроуфорд мл.
- Lightgun (Whirlwind) световое перо, предназначенное для Whirlwind